JPH0756477B2 - Insertable sensor probe - Google Patents
Insertable sensor probeInfo
- Publication number
- JPH0756477B2 JPH0756477B2 JP2078312A JP7831290A JPH0756477B2 JP H0756477 B2 JPH0756477 B2 JP H0756477B2 JP 2078312 A JP2078312 A JP 2078312A JP 7831290 A JP7831290 A JP 7831290A JP H0756477 B2 JPH0756477 B2 JP H0756477B2
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- sensor element
- sensor
- solid electrolyte
- type
- sensor probe
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Expired - Lifetime
Links
Landscapes
- Measuring Oxygen Concentration In Cells (AREA)
Description
【発明の詳細な説明】 [産業上の利用分野] 本発明は、ボイラ、焼結炉及び自動車等から排出される
高温排ガス中の水素又は水蒸気の濃度を測定するために
使用される挿入式センサプローブに関し、特にガルバニ
起電力の基準として固体基準物質を使用した挿入式セン
サプローブに関する。DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION [Industrial field of application] The present invention relates to an insertion type sensor used for measuring the concentration of hydrogen or water vapor in high temperature exhaust gas discharged from a boiler, a sintering furnace, an automobile or the like. The present invention relates to a probe, and more particularly, to an insertion type sensor probe that uses a solid reference material as a reference for galvanic electromotive force.
[従来の技術] 高温排ガス中の水素及び水蒸気濃度を測定することは、
ボイラ、燃焼炉及び自動車エンジン等の燃焼効率を正確
に求めるために不可欠である。このため、高温排ガス中
において安定に作動し、信頼性が高い水素及び水蒸気濃
度測定装置の開発が要望されている。[Prior Art] Measuring the concentration of hydrogen and water vapor in high temperature exhaust gas is
It is indispensable for accurately obtaining the combustion efficiency of boilers, combustion furnaces, automobile engines, etc. Therefore, there is a demand for the development of a highly reliable hydrogen and water vapor concentration measuring device that operates stably in high-temperature exhaust gas.
そこで、従来、酸化ストロンチウム及び酸化セリウム
(SrCeO3)等のペロブスカイト型酸化物からなるプロト
ン導電性を有する固体電解質をセンサ素子として使用す
る水素又は水蒸気センサが提案されている(特開昭58-5
0458,60-263853,61-2064,61-3054,61-14566号公報)。
この固体電解質は300℃以上の温度においてプロトン導
電性を有し、この固体電解質からなるセンサ素子を一端
閉塞型に形成し、その内表面及び外表面に夫々多孔質の
内面電極及び外面電極を被着して構成されている。そし
て、このセンサ素子内にガルバニ起電力の基準となる基
準ガス、即ち所定濃度の水素又は水蒸気を含有するガス
が封入されている。Therefore, conventionally, there has been proposed a hydrogen or water vapor sensor which uses a proton conductive solid electrolyte made of a perovskite type oxide such as strontium oxide and cerium oxide (SrCeO 3 ) as a sensor element (JP-A-58-5).
0458,60-263853,61-2064,61-3054,61-14566).
This solid electrolyte has proton conductivity at a temperature of 300 ° C. or higher, and a sensor element made of this solid electrolyte is formed into a closed type, and the inner surface and the outer surface thereof are covered with a porous inner electrode and outer electrode, respectively. It is configured to wear. A reference gas that serves as a reference for galvanic electromotive force, that is, a gas containing hydrogen or water vapor at a predetermined concentration is enclosed in the sensor element.
このペロブスカイト型プロトン導電型固体電解質を使用
して水素又は水蒸気の濃度を測定するセンサプローブを
被測定ガス中に挿入すると、基準ガスと被測定ガスとの
間の水素又は水蒸気濃度の差により、内面電極と外面電
極との間に起電力が発生する。そして、この起電力を検
出することにより、被測定ガス中の水素又は水蒸気の濃
度を測定することができる。When a sensor probe that measures the concentration of hydrogen or water vapor using this perovskite-type proton conductive solid electrolyte is inserted into the gas to be measured, the difference in hydrogen or water vapor concentration between the reference gas and the gas to be measured causes An electromotive force is generated between the electrode and the outer surface electrode. Then, by detecting this electromotive force, the concentration of hydrogen or water vapor in the gas to be measured can be measured.
しかしながら、上述の従来技術は、基準物質として所定
濃度の水素又は水蒸気を含有するガスを使用するので、
以下に示す問題点がある。However, since the above-mentioned conventional technique uses a gas containing a predetermined concentration of hydrogen or water vapor as a reference substance,
There are the following problems.
固体電解質又はガス導入管等が破損した場合、基準ガ
スが測定雰囲気中に漏出してしまい、測定不能になる
か、又は測定誤差が発生する。また、この場合には、漏
出した基準ガスにより測定雰囲気が汚染される。When the solid electrolyte, the gas introduction pipe, or the like is damaged, the reference gas leaks into the measurement atmosphere, and the measurement becomes impossible or a measurement error occurs. Further, in this case, the leaked reference gas pollutes the measurement atmosphere.
基準ガスをプローブに供給して循環させるために、ガ
ス循環機等が必要になり、コンパクトな装置にすること
ができない。In order to supply the reference gas to the probe and circulate it, a gas circulator or the like is required, and a compact device cannot be obtained.
そこで、本発明者等は高温で安定した水素活量を示す固
体基準物質を開発し、この固体基準物質を水素又は水蒸
気センサに使用する提案を行った(特開昭63-269053号
公報)。Therefore, the present inventors have developed a solid reference material that exhibits a stable hydrogen activity at high temperatures, and have proposed using this solid reference material for a hydrogen or water vapor sensor (Japanese Patent Laid-Open No. 63-269053).
[発明が解決しようとする課題] しかしながら、特に測定雰囲気中に挿入して設置される
挿入式水素又は水蒸気センサの場合は、センサ自体が高
温に曝されるため、固体基準物質と測定雰囲気との間を
完全にシールすることが困難である。このため、この固
体基準物質を使用する挿入式水素又は水蒸気センサは実
用化されるに至っていない。[Problems to be Solved by the Invention] However, particularly in the case of an insertion-type hydrogen or water vapor sensor that is installed by being inserted in a measurement atmosphere, the sensor itself is exposed to high temperatures, so that the solid reference substance and the measurement atmosphere It is difficult to completely seal the space. Therefore, the insertion type hydrogen or water vapor sensor using this solid reference material has not been put to practical use.
本発明はかかる問題点に鑑みてなされたものであって、
高温下で使用される挿入式水素又は水蒸気センサにおい
て、固体基準物質を測定雰囲気から十分にシールするこ
とができ、この固体基準物質を高温下でも実用的に使用
することができ、従来の基準ガスを使用するセンサの欠
点を解消することができる挿入式センサプローブを提供
することを目的とする。The present invention has been made in view of such problems,
In the insertion type hydrogen or water vapor sensor used at high temperature, the solid reference substance can be sufficiently sealed from the measurement atmosphere, and this solid reference substance can be used practically even at high temperature. An object of the present invention is to provide an insertable sensor probe that can eliminate the drawbacks of the sensor using the.
[課題を解決するための手段] 本発明に係る挿入式センサプローブは、ペロブスカイト
型プロトン導電性固体電解質により形成された一端閉塞
型のセンサ素子と、このセンサ素子内に充填されガルバ
ニ起電力の基準となる固体基準物質と、前記センサ素子
の内側面に前記固体基準物質に接触して形成された基準
極と、前記センサ素子の外側面に形成された測定極と、
一端が閉塞され前記センサ素子をその他端側にて嵌合し
て保持するセラミックホルダと、このセラミックホルダ
の内面と前記センサ素子の外面との間に少なくとも充填
され両者を気密的にシールして前記固体基準物質及び前
記基準極を測定雰囲気から隔離するシール部と、を有
し、前記シール部は熱膨張係数が300乃至800℃の範囲で
8.0×10-6乃至10.0×10-6/℃であることを特徴とす
る。[Means for Solving the Problems] An insertion type sensor probe according to the present invention is a sensor element of one-end closed type formed of a perovskite type proton conductive solid electrolyte, and a galvanic electromotive force reference filled in the sensor element. A solid reference material, a reference electrode formed on the inner surface of the sensor element in contact with the solid reference material, and a measurement electrode formed on the outer surface of the sensor element,
A ceramic holder, one end of which is closed to fit and hold the sensor element at the other end side, and at least the space between the inner surface of the ceramic holder and the outer surface of the sensor element is hermetically sealed to seal the both. A solid reference material and a seal part for isolating the reference electrode from the measurement atmosphere, and the seal part has a coefficient of thermal expansion of 300 to 800 ° C.
It is characterized by being 8.0 × 10 −6 to 10.0 × 10 −6 / ° C.
[作用] 本発明においては、一端閉塞型のセンサ素子はその他端
側にてセラミックホルダにより保持されており、このセ
ラミックホルダとセンサ素子との間にシール部が介装さ
れているので、このセンサ素子内に充填された固体基準
物質は、センサ素子内の基準極と共に、前記セラミック
ホルダ及びシール部によりセンサ素子外部の測定雰囲気
から気密的にシールされる。そして、このシール部はセ
ンサの使用温度である300乃至800℃の範囲で熱膨張係数
が8.0×10-6乃至10.0×10-6/℃であるので、通常8.5×
10-6乃至9.8×10-6/℃の熱膨張係数を有する固体電解
質と略同様の熱膨張係数を有する。従って、プローブが
高温の測定雰囲気におかれた場合に、センサ素子を構成
する固体電解質が熱膨張しても、シール部もセンサ素子
と略同様の大きさの熱膨張をしているので、このシール
部とセンサ素子との間で隙間が生じたり、固体電解質が
破損したりして、ガスがセンサ内部に侵入したりするこ
とはない。このため、このセンサ素子内部の固体基準物
質を測定雰囲気から確実にシールして保護することがで
きる。[Operation] In the present invention, the one-end closed sensor element is held by the ceramic holder on the other end side, and the seal portion is interposed between the ceramic holder and the sensor element. The solid reference material with which the element is filled is hermetically sealed from the measurement atmosphere outside the sensor element by the ceramic holder and the seal portion together with the reference electrode inside the sensor element. The seal part has a thermal expansion coefficient of 8.0 × 10 -6 to 10.0 × 10 -6 / ° C in the temperature range of 300 to 800 ° C, which is the operating temperature of the sensor.
It has substantially the same thermal expansion coefficient as the solid electrolyte having a thermal expansion coefficient of 10 -6 to 9.8 × 10 -6 / ° C.. Therefore, when the probe is placed in a high-temperature measurement atmosphere, even if the solid electrolyte constituting the sensor element thermally expands, the seal portion also thermally expands to the same extent as the sensor element. No gas will enter the inside of the sensor due to a gap between the seal portion and the sensor element or damage to the solid electrolyte. Therefore, the solid reference substance inside the sensor element can be reliably sealed and protected from the measurement atmosphere.
また、このシール部として、流動点がセンサ使用温度以
上の緻密質ガラスシール材を使用すると、このシール部
はセンサ使用温度下で耐熱性が優れており、流動化する
ことなく十分な強度を有し、緻密なシール構造を形成す
ることができる。また、この緻密質ガラスシール材はセ
ンサ素子を構成する固体電解質との間で反応性がなく、
また固体電解質との間の濡れ性が優れていて接合性がよ
い。Also, if a dense glass sealing material with a pour point equal to or higher than the sensor operating temperature is used for this seal part, this seal part has excellent heat resistance at the sensor use temperature and has sufficient strength without fluidization. Therefore, a precise seal structure can be formed. Further, this dense glass sealing material has no reactivity with the solid electrolyte that constitutes the sensor element,
Moreover, the wettability with the solid electrolyte is excellent and the bondability is good.
なお、このプロトン導電性固体電解質とは、Ca,Sr及びB
aからなる群から選択された少なくとも1種の元素をA
成分とし、Ce,Zr,Ti及びHfからなる群から選択された少
なくとも1種の元素をB成分とし、Yb,Y,Sc,Zn,Nd,Mg,I
n,Sm,Dy,Eu,Ho,Gd,Tm,Ca及びLaからなる群から選択され
た少なくとも1種の元素をM成分とした場合に、一般式
AB1-XMXO3-Yにて表されるペロブスカイト型複合酸化物
である。但し、X及びYはいずれも0乃至0.5の範囲の
数値である。The proton conductive solid electrolyte is Ca, Sr and B.
at least one element selected from the group consisting of a
As a component, at least one element selected from the group consisting of Ce, Zr, Ti and Hf is used as a B component, and Yb, Y, Sc, Zn, Nd, Mg, I
When M component is at least one element selected from the group consisting of n, Sm, Dy, Eu, Ho, Gd, Tm, Ca and La, the general formula
It is a perovskite complex oxide represented by AB 1-X M X O 3-Y . However, both X and Y are numerical values in the range of 0 to 0.5.
このようなペロブスカイト型複合酸化物としては、例え
ば、SrCe0.95Yb0.05O3-Y,BaCe0.9Nd0.1O3-Y及びCaZr0.9
In0.1O3-Y等がある。Examples of such perovskite-type composite oxides include, for example, SrCe 0.95 Yb 0.05 O 3-Y , BaCe 0.9 Nd 0.1 O 3-Y and CaZr 0.9.
In 0.1 O 3-Y, etc.
[実施例] 以下、本発明の実施例について、添付の図面を参照して
具体的に説明する。EXAMPLES Examples of the present invention will be specifically described below with reference to the accompanying drawings.
第1図は本発明の第1の実施例に係るセンサプローブを
示す断面図である。センサ素子1は一端が閉塞された管
状をなし、その閉塞端側の略半分の外面及び内面には多
孔質材料を被着することにより夫々測定極3及び基準極
4が形成されている。これらの測定極3及び基準極4は
センサ素子1の閉塞端側の略半分を被覆している。そし
て、センサ素子1の内部には、固体基準物質2が充填さ
れており、この固体基準物質2をセンサ素子1内に封入
するようにしてセンサ素子1の開放端側の略半分に円柱
状をなすセラミックチップ5が挿入されている。FIG. 1 is a sectional view showing a sensor probe according to a first embodiment of the present invention. The sensor element 1 has a tubular shape with one end closed, and a measuring electrode 3 and a reference electrode 4 are formed by depositing a porous material on the outer surface and the inner surface of approximately half of the closed end side. The measurement electrode 3 and the reference electrode 4 cover approximately half of the sensor element 1 on the closed end side. The sensor element 1 is filled with a solid reference material 2, and the solid reference material 2 is enclosed in the sensor element 1 so that a cylindrical shape is formed in approximately half of the open end side of the sensor element 1. An eggplant ceramic chip 5 is inserted.
このセラミックチップ5の中心には基準極4に接続され
たリード線8が挿通していて、このリード線8により基
準極4がセンサ素子1の外部に電気的に導出されてい
る。セラミックチップ5とセンサ素子1の内面との間に
は金属ペースト6が介装されている。A lead wire 8 connected to the reference electrode 4 is inserted through the center of the ceramic chip 5, and the reference electrode 4 is electrically led out of the sensor element 1 by the lead wire 8. A metal paste 6 is interposed between the ceramic chip 5 and the inner surface of the sensor element 1.
そして、センサ素子1の開放端側の略半分にはセラミッ
クホルダ9aが嵌合されている。このセラミックホルダ9a
はその内径がセンサ素子1の外径よりも大きい一端閉塞
の管状をなしており、センサ素子1の開放端がセラミッ
クホルダ9aの内側端面に当接した状態でセンサ素子1に
外嵌されている。このセラミックホルダ9aの中心には孔
が形成されていて、リード線8がこの孔を挿通して外部
に導出されている。このセラミックホルダ9aの内周面
と、センサ素子1の外面との間にはペースト状のガラス
シール材が充填されてシール部7aが形成されていて、こ
れにより固体基準物質2及び基準極4を外界及び測定極
3から気密的にシールしている。なお、このセラミック
ホルダ9aの内面はその開放端側の部分が若干大径になっ
ており、ペースト状ガラスシール材によるセラミックホ
ルダ9aとセンサ素子1との間の固定を容易にしている。
また、リード線8が挿通するセラミックホルダ9aの中心
孔内もペースト状ガラスシール材によりシールされてい
る。Then, a ceramic holder 9a is fitted to approximately half of the sensor element 1 on the open end side. This ceramic holder 9a
Has a tubular shape whose inner diameter is larger than the outer diameter of the sensor element 1 and which is closed at one end, and is fitted onto the sensor element 1 with the open end of the sensor element 1 in contact with the inner end surface of the ceramic holder 9a. . A hole is formed at the center of the ceramic holder 9a, and the lead wire 8 is inserted through this hole and led out to the outside. A paste-like glass seal material is filled between the inner peripheral surface of the ceramic holder 9a and the outer surface of the sensor element 1 to form a seal portion 7a, whereby the solid reference substance 2 and the reference electrode 4 are formed. It is hermetically sealed from the outside world and the measuring electrode 3. The inner surface of the ceramic holder 9a has a slightly larger diameter on the open end side, which facilitates fixing between the ceramic holder 9a and the sensor element 1 with a paste-like glass sealing material.
Further, the inside of the center hole of the ceramic holder 9a through which the lead wire 8 is inserted is also sealed by the paste-like glass sealing material.
センサ素子1はSrCe0.95Yb0.05O3-Y,CaZr0.9In0.1O3-Y,
BaCe0.95Y0.05O3-Y等のペロブスカイト型複合酸化物か
らなるプロトン導電性固体電解質で成形されている。The sensor element 1 is SrCe 0.95 Yb 0.05 O 3-Y , CaZr 0.9 In 0.1 O 3-Y ,
It is molded with a proton conductive solid electrolyte composed of a perovskite type complex oxide such as BaCe 0.95 Y 0.05 O 3-Y .
また、基準極4及び測定極3はPt,Ni又は酸化物導電体
等の多孔質材料を焼き付けることにより形成されてい
る。The reference electrode 4 and the measurement electrode 3 are formed by baking a porous material such as Pt, Ni or an oxide conductor.
更に、固体基準物質2としては、例えば、硫酸セリウム
とアルカリ炭酸塩との混合塩に、Ni粉末を混合したもの
がある。セラミックチップ5は固体基準物質2をセンサ
素子1内に封入する栓として作用すると共に、ガラスシ
ール材と固体基準物質2とが高温下で融合することを防
止するために、両者を離隔する隔壁として作用する。Further, as the solid reference substance 2, for example, there is a mixture of Ni powder with a mixed salt of cerium sulfate and an alkali carbonate. The ceramic chip 5 acts as a plug for enclosing the solid reference substance 2 in the sensor element 1, and serves as a partition wall for separating the glass sealant and the solid reference substance 2 from each other in order to prevent them from fusing at high temperature. To work.
更にまた、金属ペースト6は多孔質の基準極4とリード
線8との間の電気的導通を確保するためにセラミックチ
ップ5とセンサ素子1内面との間に介在させるものであ
る。この金属ペースト6はPt又はNi等を含有し、導通性
を有していて、セラミックチップ5の周面に塗付した
後、このセラミックチップ5をセンサ素子1内に嵌入す
ることにより両者間に介装される。Furthermore, the metal paste 6 is interposed between the ceramic chip 5 and the inner surface of the sensor element 1 in order to secure electrical conduction between the porous reference electrode 4 and the lead wire 8. The metal paste 6 contains Pt, Ni, or the like, has electrical conductivity, and is applied to the peripheral surface of the ceramic chip 5 and then the ceramic chip 5 is fitted into the sensor element 1 so that a space between the two is obtained. Intervened.
リード線8はPt線又はNi線等の通常の導線を使用すれば
よい。As the lead wire 8, an ordinary conductor wire such as a Pt wire or a Ni wire may be used.
ガラスシール部7aを構成するペースト状ガラスシール材
はNa2O3・B2O3・SiO2等の組成を有する緻密質ガラスを
使用すればよい。この場合に、この緻密質ガラスは、そ
の熱膨張係数が300乃至800℃の温度範囲で8.0×10-6乃
至10.0×10-6/℃であって、流動点がセンサ使用温度以
上のものを選択する。このペースト状ガラスシール材は
例えばこれをセラミックホルダ9aの内面に塗付し、更に
セラミックホルダ9a内にセンサ素子1を挿入した後、電
気炉内で850℃に加熱して融着することにより、セラミ
ックホルダ9aとセンサ素子1に被着することができる。As the pasty glass sealing material forming the glass sealing portion 7a, a dense glass having a composition such as Na 2 O 3 · B 2 O 3 · SiO 2 may be used. In this case, the dense glass should have a coefficient of thermal expansion of 8.0 × 10 -6 to 10.0 × 10 -6 / ° C in the temperature range of 300 to 800 ° C and a pour point of not less than the sensor operating temperature. select. This paste-like glass sealing material is applied, for example, to the inner surface of the ceramic holder 9a, the sensor element 1 is further inserted into the ceramic holder 9a, and then heated at 850 ° C. in an electric furnace to be fused. It can be attached to the ceramic holder 9a and the sensor element 1.
セラミックホルダ9aはアルミナ又はムライト等のセラミ
ックで成形されている。The ceramic holder 9a is made of ceramic such as alumina or mullite.
このように構成された挿入式センサプローブにおいて
は、その固体電解質で形成されたセンサ素子1の先端部
を測定雰囲気中に挿入すると、水素又は水蒸気を含有す
る測定雰囲気と接触する固体電解質の外面と、固体基準
物質2と接触する固体電解質の内面との間を、測定雰囲
気中の水素又は水蒸気濃度と、固体基準物質2の基準濃
度との間の相違に起因して、プロトンが移動する。この
プロトンの移動により、測定極3と基準極4との間に
は、ガルバニ起電力が発生する。この起電力を、リード
線8等を介して検出することにより、測定雰囲気におけ
る水素又は水蒸気濃度を検出することができる。In the insertion-type sensor probe configured as above, when the tip portion of the sensor element 1 formed of the solid electrolyte is inserted into the measurement atmosphere, the outer surface of the solid electrolyte that comes into contact with the measurement atmosphere containing hydrogen or water vapor. The protons move between the solid reference substance 2 and the inner surface of the solid electrolyte in contact with the solid reference substance 2 due to the difference between the concentration of hydrogen or water vapor in the measurement atmosphere and the reference concentration of the solid reference substance 2. A galvanic electromotive force is generated between the measurement electrode 3 and the reference electrode 4 due to the movement of the protons. By detecting this electromotive force via the lead wire 8 or the like, the hydrogen or water vapor concentration in the measurement atmosphere can be detected.
この場合に、本実施例においては、固体基準物質2及び
基準極4は、センサ素子1とその開放端を嵌合するセラ
ミックホルダ9aとの間に介装されたシール部7aにより気
密的にシールされてセンサ素子1内に収納されているか
ら、固体基準物質2及び基準極4は測定雰囲気中のガス
が侵入しないように測定雰囲気から遮断されている。こ
のため、このセンサプローブを測定雰囲気に挿入して
も、固体基準物質2が測定雰囲気中のガスと反応してそ
の濃度が変動してしまうことはない。In this case, in the present embodiment, the solid reference substance 2 and the reference electrode 4 are hermetically sealed by the seal portion 7a interposed between the sensor element 1 and the ceramic holder 9a into which the open end is fitted. Since the solid reference material 2 and the reference electrode 4 are housed in the sensor element 1, the solid reference material 2 and the reference electrode 4 are shielded from the measurement atmosphere so that gas in the measurement atmosphere does not enter. Therefore, even if this sensor probe is inserted into the measurement atmosphere, the solid reference material 2 does not react with the gas in the measurement atmosphere to change its concentration.
また、このシール部7aは、300乃至800℃のセンサプロー
ブ使用温度域で8.0×10-6乃至10.0×10-6/℃の熱膨張
係数を有し、センサ素子1を構成する固体電解質の熱膨
張係数(8.5×10-6乃至9.8×10-6/℃)と同様の熱膨張
係数を有している。また、セラミックホルダ9aもセンサ
素子1を構成する固体電解質と同様の熱膨張係数を有し
ている。このため、センサプローブが高温の測定雰囲気
に挿入されても、シール部7aとセンサ素子1との間の熱
膨張係数の差に起因してシール部7a又はセンサ素子1に
割れが発生したり、剥離が発生したりすることはない。
従って、このシール部7aにより高温下でも固体基準物質
2を完全にシールすることができる。The seal portion 7a has a coefficient of thermal expansion of 8.0 × 10 −6 to 10.0 × 10 −6 / ° C. in the temperature range of the sensor probe used in the range of 300 to 800 ° C., and the thermal conductivity of the solid electrolyte constituting the sensor element 1 is increased. It has a coefficient of thermal expansion similar to that of the expansion coefficient (8.5 × 10 −6 to 9.8 × 10 −6 / ° C.). Further, the ceramic holder 9a also has a thermal expansion coefficient similar to that of the solid electrolyte forming the sensor element 1. Therefore, even if the sensor probe is inserted into a high-temperature measurement atmosphere, cracks may occur in the seal portion 7a or the sensor element 1 due to the difference in thermal expansion coefficient between the seal portion 7a and the sensor element 1, or Peeling does not occur.
Therefore, the solid reference material 2 can be completely sealed by the sealing portion 7a even at high temperature.
更に、このシール部7aはセンサ使用温度以上の流動点を
有する緻密質のガラス(Na2O3・B2O3・SiO2等)で成形
されているから、300乃至800℃のセンサ使用温度域にて
流動化せず、十分な強度を有すると共に、緻密であって
十分な耐熱性も有している。また、この種のガラスは固
体電解質との間で反応せず、その性質が劣化することが
ないと共に、固体電解質及びセラミックに対して濡れ性
がよいため、固体電解質であるセンサ素子1及びセラミ
ックホルダ9aに十分な強度で被着される。Further, since the seal portion 7a is formed of dense glass (Na 2 O 3 , B 2 O 3 , SiO 2, etc.) having a pour point higher than the sensor operating temperature, the sensor operating temperature of 300 to 800 ° C It does not fluidize in the region, has sufficient strength, is dense and has sufficient heat resistance. Further, this type of glass does not react with the solid electrolyte, its properties are not deteriorated, and the wettability with respect to the solid electrolyte and the ceramic is good, so that the sensor element 1 and the ceramic holder which are the solid electrolyte are formed. 9a is applied with sufficient strength.
第2図は本発明の他の実施例を示す断面図である。本実
施例は第1図に示す実施例と、セラミックチップの挿入
位置及びセラミックホルダの形状のみが異なり、他の構
成は同一であるので、同一物には同一符号を付してその
詳細な説明は省略する。FIG. 2 is a sectional view showing another embodiment of the present invention. This embodiment differs from the embodiment shown in FIG. 1 only in the insertion position of the ceramic chip and the shape of the ceramic holder, and the other construction is the same. Is omitted.
即ち、このセラミックチップ5は第1図の実施例の場合
よりもセンサ素子1内に奥深く挿入されている。また、
セラミックホルダ9bはその内側に嵌入されたセンサ素子
1の端縁が当接する面が円錐状の形状をなしている。そ
して、この円錐の頂点からリード線8を挿通させるため
の孔がセラミックホルダ9bの外面に延びている。That is, the ceramic chip 5 is inserted deeper into the sensor element 1 than in the case of the embodiment shown in FIG. Also,
The ceramic holder 9b has a conical shape with which the end edge of the sensor element 1 fitted inside contacts. A hole for inserting the lead wire 8 extends from the apex of this cone to the outer surface of the ceramic holder 9b.
ペースト状のガラスシール材はセラミックホルダ9bの内
面とセンサ素子1の外面との間の領域の外、センサ素子
1におけるセラミックチップ5よりもその開放端側の部
分と、セラミックホルダ9bの内側側面とにより形成され
る領域にも充填されていて、広大な領域にシール部7bが
設けられている。The paste-like glass sealing material is provided outside the region between the inner surface of the ceramic holder 9b and the outer surface of the sensor element 1, the portion of the sensor element 1 on the open end side of the ceramic chip 5 and the inner side surface of the ceramic holder 9b. The area formed by is also filled, and the seal portion 7b is provided in a vast area.
このように、本実施例においては、ペースト状のガラス
シール材がセンサ素子1の内部に詰め込まれているの
で、外面の外、その内面に対しても被着される。このた
め、ガラスシール材がセンサ素子1の外面のみに被着さ
れる第1の実施例の場合よりも、本実施例においてはガ
ラスシール材をセンサ素子1に更に一層密着させて設け
ることができる。As described above, in this embodiment, since the paste-like glass sealing material is packed inside the sensor element 1, the sensor element 1 is adhered not only to the outer surface but also to the inner surface thereof. Therefore, in the present embodiment, the glass sealing material can be provided so as to be further in close contact with the sensor element 1 as compared with the case of the first embodiment in which the glass sealing material is applied only to the outer surface of the sensor element 1. .
次に、上述の本実施例に係るセンサプローブを使用して
実際に水素及び水蒸気の濃度を測定した結果について説
明する。Next, the results of actually measuring the concentrations of hydrogen and water vapor using the sensor probe according to the present embodiment described above will be described.
水素濃度の測定 第2図に示す構成のセンサプローブを使用した。このセ
ンサプローブのセンサ素子1はSrCe0.95Yb0.05O3-Yの組
成を有するペロブスカイト型プロトン導電性固体電解質
で成形されている。また、このセンサ素子1の外径は4m
m、内径は2.5mm、長さが20mmである。このセンサ素子1
の内面及び外面に白金多孔質電極(基準極4,測定極3)
を900℃で焼き付けた後、所定の成分組成に調整した固
体基準質2をセンサ素子1内に10mmの長さで充填した。
そして、線径が0.2mmのPt線を通したムライトチップ
(セラミックチップ5)に白金ペースト6を塗付してセ
ンサ素子1内に挿入した。このムライトチップの直径は
2mm、長さは10mmである。次いで、組成がNa2O3・B2O3・
SiO2のペースト状のガラスシール材をセラミックホルダ
9b内に塗付した後、センサ素子1をセラミックホルダ9b
内に挿入してセンサ素子1内にガラスシール材を充填し
た。このガラスシール材は熱膨張係数が9.5×10-6/
℃)であり、軟化点が695℃、流動点が880℃である。こ
のようにして組み立てたものを、電気炉に装入して加熱
し、ペースト状のガラスシール材をセンサ素子1及びセ
ラミックホルダ9bに融着してプローブとした。この場合
に、電気炉における昇温速度及び降温速度はいずれも5
℃/分であり、850℃に10分間保持した。Measurement of Hydrogen Concentration A sensor probe having the structure shown in FIG. 2 was used. The sensor element 1 of this sensor probe is formed of a perovskite type proton conductive solid electrolyte having a composition of SrCe 0.95 Yb 0.05 O 3-Y . The outer diameter of this sensor element 1 is 4m.
m, inner diameter 2.5 mm, length 20 mm. This sensor element 1
Platinum porous electrodes on the inner and outer surfaces (4 reference electrodes, 3 measurement electrodes)
After baking at 900 ° C., the solid reference material 2 adjusted to a predetermined composition was filled in the sensor element 1 in a length of 10 mm.
Then, a platinum paste 6 was applied to a mullite chip (ceramic chip 5) through which a Pt wire having a wire diameter of 0.2 mm was passed and inserted into the sensor element 1. The diameter of this mullite tip is
The length is 2 mm and the length is 10 mm. Then, the composition is Na 2 O 3 · B 2 O 3 ·
A ceramic holder made of SiO 2 paste glass sealant
After coating the inside of 9b, attach the sensor element 1 to the ceramic holder 9b.
The inside of the sensor element 1 was filled with a glass sealing material. This glass sealant has a coefficient of thermal expansion of 9.5 × 10 -6 /
), The softening point is 695 ° C, and the pour point is 880 ° C. The assembly thus assembled was loaded into an electric furnace and heated, and the pasty glass sealing material was fused to the sensor element 1 and the ceramic holder 9b to form a probe. In this case, the heating rate and the cooling rate in the electric furnace are both 5
C./min. And held at 850.degree. C. for 10 minutes.
次に、このセンサプローブを、アルミナ挿入管10内にそ
の一部を挿入し、測定極3の部分が外部に出るようにし
て無機接着剤12により固定した。この挿入管10にはその
外面に白金ペーストを焼き付けることにより、センサプ
ローブの外面測定極3に電気的に接続されたプリントリ
ード配線11が形成されている。また、挿入管10の外径は
6.5mm、内径は4.5mm、長さは300mmである。そして、こ
のセンサプローブを第4図に示す管状炉21の炉芯管22内
にそのセンサ素子1を中央にして挿入設置した。この管
状炉21においては、水素ガスボンベ24及び窒素ガスボン
ベ25から供給される水素ガス及び窒素ガスがガス混合器
23に一旦集められ、このガス混合器23にて所定の配合量
に混合された後、配管29を介して炉芯管22内に導入され
るようになっろている。また、炉芯管22内には熱電対26
が挿入されており、その熱電対26の出力はアナライジン
グレコーダ27に入力されて記録される。これにより、炉
芯管22内のセンサ素子1の近傍の温度が測定されて記録
される。更に、炉芯管22内のガスは炉芯管22の下端部か
ら取り出されてガスクロマトグラフ分析装置28に供給さ
れるようになっている。Next, a part of this sensor probe was inserted into the alumina insertion tube 10 and fixed with an inorganic adhesive 12 so that the part of the measurement electrode 3 was exposed to the outside. A print lead wire 11 electrically connected to the outer surface measurement electrode 3 of the sensor probe is formed by baking platinum paste on the outer surface of the insertion tube 10. Also, the outer diameter of the insertion tube 10 is
6.5mm, inner diameter is 4.5mm, length is 300mm. Then, this sensor probe was inserted and installed in the furnace core tube 22 of the tubular furnace 21 shown in FIG. In the tubular furnace 21, the hydrogen gas and the nitrogen gas supplied from the hydrogen gas cylinder 24 and the nitrogen gas cylinder 25 are mixed in a gas mixer.
The gas is once collected in 23, mixed in a predetermined mixing amount in the gas mixer 23, and then introduced into the furnace core tube 22 via a pipe 29. A thermocouple 26 is installed in the furnace core tube 22.
Is inserted, and the output of the thermocouple 26 is input to and recorded in the analyzing recorder 27. As a result, the temperature in the vicinity of the sensor element 1 in the furnace core tube 22 is measured and recorded. Further, the gas in the furnace core tube 22 is taken out from the lower end portion of the furnace core tube 22 and supplied to the gas chromatograph analyzer 28.
このように構成された装置を使用して、水素分圧とセン
サプローブにおける起電力との関係を求めた。但し、管
状炉21により加熱した炉芯管22内の雰囲気温度は700又
は800℃であり、ガス混合器23により水素量を0.1乃至10
0%の範囲で変動させた。Using the device configured as described above, the relationship between the hydrogen partial pressure and the electromotive force in the sensor probe was determined. However, the atmospheric temperature in the furnace core tube 22 heated by the tubular furnace 21 is 700 or 800 ° C., and the amount of hydrogen is 0.1 to 10 by the gas mixer 23.
The range was 0%.
その結果を第5図に示す。第5図の横軸はガスクロマト
グラフ分析装置28により測定された水素分圧であり、縦
軸はセンサプローブの測定極3と基準極4との間に発生
したガルバニ起電力である。但し、第5図の横軸は対数
目盛りである。雰囲気温度は前述の如く700又は800℃で
あり、熱電対26により雰囲気温度を検出してその検出結
果を管状炉21の駆動電力の制御にフィードバックするこ
とにより、この雰囲気温度を一定に調節した。The result is shown in FIG. The horizontal axis of FIG. 5 is the hydrogen partial pressure measured by the gas chromatograph analyzer 28, and the vertical axis is the galvanic electromotive force generated between the measurement electrode 3 and the reference electrode 4 of the sensor probe. However, the horizontal axis of FIG. 5 is a logarithmic scale. The ambient temperature was 700 or 800 ° C. as described above, and the ambient temperature was adjusted to a constant value by detecting the ambient temperature with the thermocouple 26 and feeding back the detection result to the control of the drive power of the tubular furnace 21.
この第5図から明らかなように、水素分圧の対数と起電
力との間には直線性がよい比例関係が存在する。このた
め、この第5図のように、特定の雰囲気温度における既
知の水素分圧と起電力との関係を予め求めておき、これ
をキャリブレーションとすることにより、起電力の測定
値から測定雰囲気中の未知の水素量を測定することがで
きる。As is clear from FIG. 5, there is a linear relationship with good linearity between the logarithm of the hydrogen partial pressure and the electromotive force. Therefore, as shown in FIG. 5, the relationship between the known hydrogen partial pressure at a specific atmospheric temperature and the electromotive force is obtained in advance, and this is used as the calibration, and the measured value of the electromotive force is used to measure the atmosphere. The amount of unknown hydrogen in it can be measured.
水蒸気濃度の測定 次に、第6図に示す装置を使用して水蒸気量を測定した
結果について説明する。この装置は、炉芯管22内に、そ
の頭部から配管34を介して水蒸気を供給する。恒温槽30
内には水の沸点近傍の温度を有する恒温媒体31が貯留さ
れており、この恒温媒体31内にバフラー32が浸漬されて
いる。そして、このバフラー32内に水を貯留し、エアー
ポンプ33から圧縮空気をバフラー32内に導入することに
より、バフラー32内で発生した蒸気を配管34に送り出
し、この蒸気を配管34を介して炉芯管22内に供給するよ
うになっている。水蒸気量は恒温槽30内の温度により規
定した。Measurement of Water Vapor Concentration Next, the result of measuring the amount of water vapor using the apparatus shown in FIG. 6 will be described. This apparatus supplies steam into the furnace core tube 22 from its head through a pipe 34. Constant temperature bath 30
A constant temperature medium 31 having a temperature near the boiling point of water is stored therein, and a buffler 32 is immersed in the constant temperature medium 31. Then, water is stored in the baffler 32, and compressed air is introduced into the buffler 32 from the air pump 33, so that the steam generated in the buffler 32 is sent to the pipe 34, and this steam is supplied to the furnace through the pipe 34. It is adapted to be supplied into the core tube 22. The amount of water vapor was defined by the temperature in the constant temperature bath 30.
このように構成された装置を使用して水蒸気量を測定し
た結果、第7図に示すように、水蒸気量の測定結果も水
蒸気分圧PH20と起電力との間には直線性が優れた関係が
得られた。従って、この水蒸気についても、特定の温度
において、予め水蒸気量と起電力との関係を求めておく
ことにより、これを基にして水蒸気濃度未知の測定雰囲
気についての水蒸気量を測定することができる。As a result of measuring the amount of water vapor using the apparatus configured as described above, as shown in FIG. 7, the measurement result of the amount of water vapor also showed excellent linearity between the water vapor partial pressure PH20 and the electromotive force. A relationship was obtained. Therefore, also with respect to this water vapor, by previously obtaining the relationship between the water vapor amount and the electromotive force at a specific temperature, the water vapor amount in the measurement atmosphere of unknown water vapor concentration can be measured based on this.
[発明の効果] 本発明によれば、高温においても基準極及び固体基準物
質を測定雰囲気から確実にシールすることができるの
で、水素又は水蒸気の測定に固体基準物質を使用したセ
ンサを使用することが可能になり、従来のような基準ガ
スを基準物質とするセンサと異なって基準ガスを循環さ
せるための装置が不要になり、小型で信頼性の高い挿入
式センサプローブを得ることができる。[Effects of the Invention] According to the present invention, the reference electrode and the solid reference substance can be reliably sealed from the measurement atmosphere even at a high temperature. Therefore, the sensor using the solid reference substance should be used for the measurement of hydrogen or water vapor. Therefore, unlike the conventional sensor using a reference gas as a reference substance, a device for circulating the reference gas is not required, and a small and highly reliable insertion type sensor probe can be obtained.
第1図は本発明の実施例に係るセンサプローブを示す断
面図、第2図は同じく本発明の他の実施例に係るセンサ
プローブを示す断面図、第3図はこのセンサプローブが
組み込まれた検出部材を示す側面図、第4図は水素濃度
分析装置を示す模式図、第5図はその水素濃度分析の結
果を示すグラフ図、第6図は水蒸気濃度分析装置を示す
模式図、第7図はその水蒸気濃度分析の結果を示すグラ
フ図である。 1;センサ素子、2;固体基準物質、3;測定極、4;基準極、
5;セラミックチップ、7a,7b;シール部、9a,9b;セラミッ
クホルダFIG. 1 is a sectional view showing a sensor probe according to an embodiment of the present invention, FIG. 2 is a sectional view showing a sensor probe according to another embodiment of the present invention, and FIG. 3 is incorporated with this sensor probe. A side view showing the detection member, FIG. 4 is a schematic diagram showing a hydrogen concentration analyzer, FIG. 5 is a graph showing the results of the hydrogen concentration analysis, FIG. 6 is a schematic diagram showing a water vapor concentration analyzer, and FIG. The figure is a graph showing the results of the water vapor concentration analysis. 1; sensor element, 2; solid reference material, 3; measuring electrode, 4; reference electrode,
5; Ceramic chip, 7a, 7b; Seal part, 9a, 9b; Ceramic holder
Claims (4)
質により形成された一端閉塞型のセンサ素子と、このセ
ンサ素子内に充填されガルバニ起電力の基準となる固体
基準物質と、前記センサ素子の内側面に前記固体基準物
質に接触して形成された基準極と、前記センサ素子の外
側面に形成された測定極と、一端が閉塞され前記センサ
素子をその他端側にて嵌合して保持するセラミックホル
ダと、このセラミックホルダの内面と前記センサ素子の
外面との間に少なくとも充填され両者を気密的にシール
して前記固体基準物質及び前記基準極を測定雰囲気から
隔離するシール部と、を有し、前記シール部は熱膨張係
数が300乃至800℃の範囲で8.0×10-6乃至10.0×10-6/
℃であることを特徴とする挿入式センサプローブ。1. A sensor element of one-end closed type formed of a perovskite type proton conductive solid electrolyte, a solid reference substance filled in the sensor element and serving as a reference of galvanic electromotive force, and an inner surface of the sensor element. A reference electrode formed in contact with the solid reference material, a measurement electrode formed on the outer surface of the sensor element, and a ceramic holder that is closed at one end and holds the sensor element by fitting the other end side. And a sealing portion which is filled at least between the inner surface of the ceramic holder and the outer surface of the sensor element and hermetically seals both of them to isolate the solid reference material and the reference electrode from the measurement atmosphere, The sealing portion has a thermal expansion coefficient of 300 to 800 ° C. of 8.0 × 10 −6 to 10.0 × 10 −6 /
Insertable sensor probe characterized by being at a temperature of ℃.
上の緻密質ガラスシール材であることを特徴とする請求
項1に記載の挿入式センサプローブ。2. The insertion type sensor probe according to claim 1, wherein the seal portion is a dense glass seal material having a pour point equal to or higher than a sensor use temperature.
電解質は、ストロンチウムとセリウムとの複合酸化物、
バリウムとセリウムとの複合酸化物及びカルシウムとジ
ルコニウムとの複合酸化物からなる群から選択されたい
ずれか1種を主成分とすることを特徴とする請求項1又
は2に記載の挿入式センサプローブ。3. The perovskite-type proton conductive solid electrolyte is a composite oxide of strontium and cerium,
The insertion-type sensor probe according to claim 1 or 2, wherein the main component is any one selected from the group consisting of a complex oxide of barium and cerium and a complex oxide of calcium and zirconium. .
電解質は、インジウム、スカンジウム、イッテルビウ
ム、マグネシウム、ビスマス、アルミニウム、ガリウ
ム、イットリウム及びネオジムからなる群から選択され
た少なくとも1種の元素を含有することを特徴とする請
求項3に記載の挿入式センサプローブ。4. The perovskite-type proton conductive solid electrolyte contains at least one element selected from the group consisting of indium, scandium, ytterbium, magnesium, bismuth, aluminum, gallium, yttrium and neodymium. The insertion type sensor probe according to claim 3.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2078312A JPH0756477B2 (en) | 1990-03-27 | 1990-03-27 | Insertable sensor probe |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2078312A JPH0756477B2 (en) | 1990-03-27 | 1990-03-27 | Insertable sensor probe |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH03276055A JPH03276055A (en) | 1991-12-06 |
| JPH0756477B2 true JPH0756477B2 (en) | 1995-06-14 |
Family
ID=13658422
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2078312A Expired - Lifetime JPH0756477B2 (en) | 1990-03-27 | 1990-03-27 | Insertable sensor probe |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH0756477B2 (en) |
Families Citing this family (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2002179404A (en) * | 2000-12-08 | 2002-06-26 | Toho Gas Co Ltd | Operation control system for fuel reformer |
-
1990
- 1990-03-27 JP JP2078312A patent/JPH0756477B2/en not_active Expired - Lifetime
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH03276055A (en) | 1991-12-06 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| SU1142783A1 (en) | Gas analysis device having solid electrolyte based galvanic cells | |
| RU2120624C1 (en) | Electrochemical sensor of concentration of hydrogen in gas and liquid mixtures | |
| JP2868913B2 (en) | Solid electrolyte gas sensor | |
| JPH0756477B2 (en) | Insertable sensor probe | |
| US6551478B1 (en) | Flexible high-temperature pH probe | |
| JPH0756478B2 (en) | Insertable sensor probe | |
| JP6725142B2 (en) | Sensor probe and method of using the same | |
| CA2746494A1 (en) | Method and apparatus for monitoring gas concentration | |
| JPH0756479B2 (en) | Insertable sensor probe | |
| JPH0462463A (en) | Sensor probe having solid reference material | |
| US4310402A (en) | Gas tight sealant for zirconia sensors | |
| JP7265007B2 (en) | Solid reference material and hydrogen gas sensor | |
| JPH03276054A (en) | Insertion type sensor probe | |
| JPH04283654A (en) | Measuring method for hydrogen concentration in melted metal and sensor prove used in execution thereof | |
| JP3029473B2 (en) | Sensor probe for measuring hydrogen concentration in molten metal | |
| JPH03276059A (en) | Insertion type sensor probe | |
| JPH0687049B2 (en) | Sensor probe with solid reference material | |
| JPH06273374A (en) | Sensor probe for measuring amount of dissolved hydrogen in molten metal and method for measuring hydrogen concentration | |
| JP2578542B2 (en) | Sensor probe for measuring the amount of dissolved hydrogen in molten metal | |
| JPH03276060A (en) | Component concentration detector | |
| KR20070084271A (en) | Ceramic insulating material and sensor element containing this material | |
| JP2530076B2 (en) | Sensor probe for measuring the amount of dissolved hydrogen in molten metal and method of using the same | |
| JP6720015B2 (en) | Sensor probe and method of using the same | |
| JPH0462464A (en) | Sensor probe having solid reference material | |
| JPH0377055A (en) | Sensor for high-temperature exhaust gas |